[发明专利]脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机有效

专利信息
申请号: 201810978580.X 申请日: 2018-08-27
公开(公告)号: CN108954888B 公开(公告)日: 2019-12-24
发明(设计)人: 郭永祥;王博;赵钦宇;巢翊钧;孔家煊;王亚彬;陈思凡;刘东立;周文杰;甘智华 申请(专利权)人: 浙江大学
主分类号: F25B9/04 分类号: F25B9/04
代理公司: 33216 杭州之江专利事务所(普通合伙) 代理人: 黄燕
地址: 310027 浙*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 脉管 制冷机 预冷 电涡流阻尼 调相机构 脉管制冷机 节流 节流制冷 制冷机可靠性 制冷级 磁场 制冷
【说明书】:

发明公开了一种脉管制冷机预冷的低温J‑T节流制冷机包括脉管预冷单元和J‑T节流制冷单元,所述脉管预冷单元包括至少一个脉管级制冷机,所述脉管级制冷机至少有一个采用电涡流阻尼调相机构,该电涡流阻尼调相机构利用电涡流阻尼力为脉管级制冷机调相。本发明的脉管制冷机预冷的低温J‑T节流制冷机,脉管预冷单元中的脉管级制冷机采用了电涡流阻尼调相机构,该结构可为脉管级制冷机提供更优的相位,而且电涡流阻尼调相机构通过改变磁场强度实现相位的调节,从而使脉管预冷单元可以高效的获得10K及以下的制冷温度,更高效地为制冷级J‑T节流制冷循环提供预冷。且本发明的制冷机可靠性更高,寿命更长,同时具备结构紧凑等优点。

技术领域

本发明属于涉及一种制冷系统,具体是涉及一种脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机。

背景技术

随着科学技术的进步,低温制冷技术在过去近半个世纪中得到了快速发展,并在航空航天、国防军事、超导、医疗、能源以及低温物理等领域有着广泛而不可替代的应用。目前,对于空间液氦温区的制冷方式主要有液氦(或超流氦)杜瓦技术和机械式制冷技术。其中液氦杜瓦制冷技术利用储存在高真空多层绝热储罐里的液氦或者超流氦的蒸发吸热来实现制冷效应,这种方式可以获得较稳定的温度,在早期的航天探测领域具有广泛的应用,技术相对成熟,但是它存在体积大、重量重、绝热系统复杂,发射成本高以及使用寿命受工质存储量限制等缺点。

随着机械式制冷技术的进步和发展,特别是板弹簧和间隙密封等技术的应用,彻底解决了杜瓦技术始终无法克服的长寿命问题,使得机械式制冷技术如斯特林制冷机和脉管制冷机近20年来在航天领域快速发展并占有相当的份额。而在15K以下温区,氦严重偏离理想气体性质、回热材料体积比热容急剧下降等原因造成已在空间大量运用的斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机在液氦温区制冷效率较低。实际空间应用中经常希望压缩机单元能够尽可能靠近散热单元便于热量的耗散,尽可能远离被冷却的探测器装置以减小压缩机带来的热耗散、机械振动和电磁干扰。而回热式低温制冷机的冷端与热端距离比较近,难以实现压缩机和冷头分置的要求,从而限制了其在空间任务中的应用。

焦耳-汤普逊制冷机(Joule-Thomson Cooler,以下简称J-T节流制冷机)利用温度低于15K时,氦气的非理想特性显著这一特点带来的Joule-Thomson节流效应获得制冷效应,效率较高。而且J-T节流制冷机工质直流流动,冷端可根据所需冷却的结构进行自由设计等特点所带来的一系列优点使J-T节流制冷机成为空间液氦温区任务的主流。

空间液氦温区机械式制冷技术主要集中在日本宇宙研究开发机构(JapanAerospace Exploration Agency,JAXA)、美国宇航局(National Aeronautics and SpaceAdministration,NASA)和欧洲空间局(European Space Agency,ESA)等机构,这些机构在近年来已发射或即将发射的航天探测器中,使用液氦温区机械式制冷技术的低温空间项目如表1所示。

表1采用液氦温区机械式制冷技术的低温空间任务

从表1可以看到,以上提到的研究机构近年来已有的应用于空间的液氦温区的机械式制冷机大多为预冷型的J-T节流制冷机,且主要采用回热式制冷机预冷,如SMILES、Asrto-H和SPICA项目中的液氦温区J-T节流制冷循环均采用两级斯特林制冷机预冷,在ACTDP项目的竞标过程中更是出现了采用四级高频脉管制冷机、三级斯特林制冷机和三级高频脉管制冷机三种不同的预冷方式,但是预冷型J-T节流制冷技术在低温温区均存在预冷效率不高的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种脉管制冷机预冷的低温J-T节流制冷机,该制冷系统预冷效率好,制冷性能高,且同时具备结构紧凑、寿命长和可靠性高等优点。

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